星地協同在城市燃氣管道保護中的應用實踐

崔萬祥

(浙江浙能燃氣股份有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

燃氣管道在長期服役的過程中，因承受運行和環境荷載的長期作用，并長期受到材料老化、震動疲勞、腐蝕效應、第三方破壞等災變因素的影響，管道損傷破壞事件頻頻發生，根據《全國燃氣事故分析報告(2022 年全年綜述)》的數據，第三方施工破壞引發的天然氣管網事故占比最高，達到73.7%。保護和管理燃氣管道已成為城市管理的一項重要任務，目前管道安全檢測方法主要依靠人工巡檢或基于管道運行參數及管壁狀態進行檢測，對管道泄漏檢測起到一定作用，但在泄漏事故發生后，以被動的方式進行報警。對燃氣管道保護方法，國內外學者有很多有益的探索，南立團等[1]使用衛星對管道周邊的異常情況進行識別和監測；白路遙等[2]提出利用管體變形監測技術與遙感監測地表位移相結合的方法，監測管道周邊地質災害；周京齋等[3]把分布式光纖安防系統應用于燃氣管線第三方施工預警防護，實現對管線周邊振動信息的定位、監測及預警；BAGLIANI等[4]使用C 波段的雷達衛星數據，利用PS-InSAR 技術對油氣開發過程中引起的形變進行時序觀測。

為改變過去被動的防護方式，為燃氣管道防護提供主動防范手段，減少管道破壞事件的發生率，本文提出了一種基于空地協同的燃氣管道防破壞預警方法，并開發出一套完整的預警平臺。

1 多源遙感數據在管道保護中的應用

隨著圖像傳感技術和航空航天事業的迅猛發展，在軌的光學和雷達衛星數量已十分可觀，遙感影像的時空分辨率得到了顯著提升，獲取遙感影像的方式也更加便捷。高分辨率光學遙感影像中包含著大量的地物細節信息，對這些信息進行充分挖掘與利用十分重要。利用多時相高分光學遙感影像，對管線周邊地形信息、地物信息等進行動態監測，利用雷達影像對管線周邊地形進行沉降監測，通過多源遙感影像獲取對管線造成破壞的潛在危險因素，進行風險分析、確定風險等級、提前采取相關措施干預。

1.1 高分光學遙感影像監測管道周邊風險信息

光學遙感影像的空間分辨率已達到0.5 m，可識別更加精細的地物信息。在對遙感影像信息進行挖掘和應用之前，需對原始影像預先進行正射校正、配準、融合等處理來提高影像的質量和可用性，確保后續的數據分析和應用。對預處理后的遙感影像進行解譯，提取出影像中的關鍵特征，如施工工地、工程機械、土地利用等信息，疊加管網路由數據，識別管道周邊可能存在的風險源，例如識別管道周邊區域的挖機作業，提供風險信息給燃氣保護單位進行分析和決策。光學遙感影像監測管道周邊風險的方法如圖1 所示。

圖1 光學遙感影像監測管道周邊風險

1.2 合成孔徑雷達監測管道沉降信息

合成孔徑雷達(SAR)可以主動發射長波并接收反射信息，利用長波的穿透特性能夠不受天氣影響對地表實現全天候觀測。與光學遙感不同的是，通過主動發射和接收雷達波，雷達衛星可以獲得地面物體的強度信息和相位信息。隨著合成孔徑雷達技術的發展和應用領域的拓展，用于探測地表形變的差分干涉測量技術(D-InSAR)應運而生。通過干涉差分處理可獲得毫米級精度的地表形變信息，通過處理長時間序列的雷達影像，分析區域內的沉降速率和形變量，以發現風險信息。利用D-InSAR 技術可對地面進行大范圍的形變監測，可發現管道周邊累計沉降量較高和沉降速率躍遷變化的區域，洞察潛在風險。D-InSAR 地表形變監測技術流程如圖2 所示。

圖2 D-InSAR 地表形變監測技術流程圖

2 施工機械實時定位及風險分析

第三方工程機械的不規范作業是導致發生管道事故的主要風險來源，因此對工程機械的監管十分必要。通過安裝車載北斗高精度定位終端來實時獲取施工車輛的位置信息，并利用無線網絡傳輸到數據中心對車輛位置進行處理和分析，利用云控中心對施工機械位置進行遠程監控，以實現對燃氣管道周邊施工情況的風險識別和預警。

針對施工車輛定位的需求，對車載北斗定位終端進行技術優化和改進，主要包括以下方面：(1)為保證施工車輛位置信息的精度，選用高精度的北斗芯片，優化定位算法，以實現定位精度優于1 m 的要求；(2)為確保實時性，采用高速、穩定的數據傳輸方式，如5G 網絡；(3)為確保設備在高溫、低溫、高濕、高海拔等惡劣環境下長時間穩定運行，在硬件選型、組裝、調試、測試等方面進行優化，確保終端設備可靠性。

3 基于空地協同的燃氣管道防破壞預警系統

基于衛星遙感技術和地面北斗定位終端構建燃氣管道防破壞預警系統，系統由第三方施工破壞預警分系統和地質災害沉降監測分系統組成。通過施工機械定位和高分辨率光學遙感影像圖像識別施工信息，通過InSAR 沉降監測技術獲取埋地管道周邊的地形變化情況，最終對識別出的多種風險評估風險等級，實現對燃氣管道破壞的主動預警。燃氣管道防破壞預警系統技術流程圖如圖3 所示。

圖3 燃氣管道防破壞預警系統技術流程圖

3.1 第三方施工破壞預警分系統

第三方施工破壞預警分系統主要負責預警第三方施工破壞燃氣管道，通過獲取工程機械的實時位置和燃氣管道的相對位置進行風險預測，并設置電子圍欄，同時獲取高分辨率光學衛星影像以宏觀視角監測管道周邊施工情況，并將風險信息通過預警平臺及時告知相關當事人，如圖4 所示。

圖4 第三方施工破壞預警分系統示意圖

3.2 地質災害沉降監測預警分系統

地質災害沉降監測預警分系統主要負責預警地質災害破壞燃氣管道，地質災害引起的地表沉降累積和突變會造成燃氣管道受力變化，導致管道損傷。通過D-InSAR 技術高精度、長時序地對燃氣管道及周邊地表進行監測，生成地表形變速率，評估沉降風險等級，進而準確及時識別埋地管道風險，并對沉降較為嚴重的區域提前預警，如圖5 所示。

圖5 地質災害沉降監測預警分系統示意圖

4 結論

(1)探索基于星地協同的監測方法在城市燃氣管道保護中的應用，開辟準確及時地監測燃氣管道破壞的新途徑；

(2)結合衛星遙感和北斗定位技術，提升埋地管道保護的預警水平，最大程度減少能源和人力資源浪費，實現埋地管線破壞提前主動預警，將燃氣管道保護由原來的被動保護轉變為主動保護；

(3)構建燃氣管道防破壞預警系統，提高智能化管理水平，長期穩定地監測燃氣管道周邊風險。